CN111894689B - 一种基于超临界水氧化的热-电-清洁水联产系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于超临界水氧化的热‑电‑清洁水联产系统，将超临界水氧化系统与ORC系统耦合，通过合理设计管路和系统部件的连接方式，将各个支路和子系统合理的耦合起来，结构紧凑，并且根据梯级能量利用原理，将超临界水氧化系统中进口反应物以及出口生产物的低品位能量通过换热器合理的利用起来，在为ORC系统提供能量的同时，输出电能和热能，而且将ORC中的低品位能量也加以利用，使整个系统能量的利用最大化。同时，超临界水氧化系统中压缩机级数的多样性和ORC形式的多样性使得系统不是单一的，具有可变性。本发明的超临界水氧化系统以及ORC系统的能量利用率都很高，治理污水的同时为用户提供用电、用热和用水需求，功能多且运行灵活，节能环保。

Description

一种基于超临界水氧化的热-电-清洁水联产系统
技术领域
本发明属于能源技术领域，涉及超临界水氧化(SCWO)、有机朗肯循环 (ORC)领域的能量梯级利用，特别涉及一种基于超临界水氧化的热-电-清洁水联产系统。
背景技术
超临界水氧化技术由于反应在高温高压下进行，具有反应快的特点，并且对于污水中的各种有毒物质，超临界水氧化技术都能将其氧化，去毒率可以达到99.99％以上，处理完后的污水不再需要二次处理，可直接回收，并且不会造成二次污染，具有高效清洁的特点，并且在反应过程中放出巨大的热量，当有机物含量较多时，就可以依靠反应过程中氧化放出的热量来维持反应所需的温度，不需要额外供给热量。由于这些优点超临界水氧化技术现实中的应用越来越广泛。
目前在应用超临界水氧化技术时，由于其治理污水方面的优势，而往往忽略了整个系统中所释放的能量，以及在反应准备阶段上的一些能量损失，系统单纯靠外界输入能量将造成了大量的能源浪费，如果将这些低品位的能量回收并且合理的再利用，可以节约能源，达到系统的自给自足并且同时生产电能和热能，提供给用户。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于超临界水氧化的热-电-清洁水联产系统，通过合理的设计管路连接，将超临界水氧化系统和ORC系统耦合起来，将超临界水氧化系统和ORC系统中的低品位能量回收再利用，同时设计的合理性使得系统结构非常紧凑，不会占用额外太大的空间。系统在部件上以及形式上选择的多样性使得真个系统适应性更强，流量的合理分配使得系统运行更加的灵活。与通常的超临界水氧化技术相比，本发明具有很高的能量利用率的同时，还可以同时解决用户的用电、用热和用水问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于超临界水氧化的热-电-清洁水联产系统，包括超临界水反应器11，超临界水反应器11的入口端连接有两条支路，一条支路连接换热器组合一的出水口，换热器组合一的进水口连接增压泵5的出水口，增压泵5的入口即为系统的污水入口，另一条支路连接压缩机组合的出气口，压缩机组合的进气口为系统的氧化气体入口，压缩机组合中配置有对氧化气体降温的换热器组合二，换热器组合二以冷水为换热介质，其冷源侧出口接8#换热器19的热源侧进口，超临界水反应器11的出口端接换热器组合一的热源侧入口，换热器组合一的热源侧出口接气液分离装置13的入口，气液分离装置13的气体出口接6#换热器17的热源侧进口，气液分离装置13的液体出口和6#换热器17的热源侧出口接 7#换热器18的热源侧进口，7#换热器18的热源侧出口排出洁净水，8#换热器 19的冷源侧出口接6#换热器17的冷源侧入口，6#换热器17的冷源侧出口接9# 换热器21的热源侧进口，9#换热器21的热源侧出口接8#换热器19的冷源侧入口，9#换热器21的冷源侧入口接冷水，冷源侧出口的一路接7#换热器18的冷源侧入口，7#换热器18的冷源侧出口和8#换热器19的热源侧出口接热用户为用户提供热能。
所述反应物污水经过增压泵5和换热器组合一增压增温到超临界状态，所述氧化气体经过压缩机组合增压增温达到超临界反应所需的高温高压状态，进入超临界水反应器11进行超临界反应。
所述压缩机组合和换热器组合二采用多级压缩、中间冷却的方式，所述换热器组合一采用多级加热的方式。
所述换热器组合一包括4#换热器9和5#换热器10，4#换热器9的冷源侧入口即换热器组合一的进水口，4#换热器9的冷源侧出口接5#换热器10的冷源侧入口，5#换热器10的冷源侧出口即换热器组合一的出水口，5#换热器10的热源侧入口即换热器组合一的热源侧入口，5#换热器10的热源侧出口接4#换热器 9的热源侧入口，4#换热器9的热源侧出口即换热器组合一的热源侧出口。
所述超临界水反应器11的出口端与5#换热器10的热源侧入口之间设置有 1#膨胀机12。
所述压缩机组合包括依次串接的1#压缩机1、2#压缩机2、3#压缩机3和 4#压缩机4，1#压缩机1的进气口即为压缩机组合的进气口，4#压缩机4的出气口即为压缩机组合的出气口；所述换热器组合二包括1#换热器6、2#换热器7 和3#换热器8，1#换热器6、2#换热器7和3#换热器8的冷源侧入口均接冷水，冷源侧出口即为换热器组合二的冷源侧出口，1#压缩机1的出气口接1#换热器 6的热源侧入口，1#换热器6的热源侧出口接2#压缩机2的进气口，2#压缩机2 的出气口接2#换热器7的热源侧入口，2#换热器7的热源侧出口接3#压缩机3 的进气口，3#压缩机3的出气口接3#换热器8的热源侧入口，3#换热器8的热源侧出口接4#压缩机4的进气口。
所述气液分离装置13的液体出口与7#换热器18的热源侧进口之间设置有 2#膨胀机14，气液分离装置13的气体出口连接气体分离装置15，气体分离装置15出口一端连接用于排出氮气的3#膨胀机16，另一端连接6#换热器17的热源侧入口，6#换热器17的热源侧出口排出气体为CO2。
所述6#换热器17的冷源侧出口与9#换热器21的热源侧进口之间设置有4# 膨胀机22，9#换热器21的热源侧出口与8#换热器19的冷源侧入口之间设置有工质泵20。
本发明可在4#膨胀机22和9#换热器21之间、工质泵20和8#换热器19之间添加一个共用的回热器，回热器中分别通入4#膨胀机22的排汽和工质泵20 加压后的液态工质，液态工质被4#膨胀机22的排汽加热后进入8#换热器19， 4#膨胀机22的排汽被液态工质冷却后进入9#换热器21。
本发明各压缩机和各膨胀机根据整个系统的空间布局，选择同轴或不同轴，或压缩机和部分膨胀机同轴，部分不同轴。
与现有技术相比，本发明利用冷水将超临界水氧化系统的空气准备阶段的低品位能量回收再利用；利用超临界水氧化系统的生产物的低品位能量一部分提供给污水的准备阶段；将生成物一部分流入膨胀机中做功发电，一部分流入换热器与ORC系统耦合，为ORC提供能量；并且将ORC中的低品位能量、在膨胀机做完功以及与ORC系统换热完后的生成物的低品位能量回收再利用。不管是超临界水氧化系统的反应阶段、生成和分离阶段以及所耦合的ORC系统，都将其所关乎到的低品位能量回收并且合理利用，尤其是超临界水氧化系统的反应物所含有的大量能量，利用提及能量利用原理，合理将这些能量利用，在治理污水和系统自给自足的同时，提供电能，热能和洁净水给用户。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
其中1为1#压缩机，2为2#压缩机，3为3#压缩机，4为4#压缩机，5为增压泵，6为1#换热器，7为2#换热器，8为3#换热器，9为4#换热器，10为 5#换热器，11为超临界水反应器，12为1#膨胀机，13为气液分离装置，14为 2#膨胀机，15为气体分离装置，16为3#膨胀机，17为6#换热器，18为7#换热器，19为8#换热器，20为工质泵，21为9#换热器，22为4#膨胀机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本发明一种基于超临界水氧化的热-电-清洁水联产系统，包括超临界水反应器11，超临界水反应器11的入口端连接有两条支路，一条支路连接换热器组合一的出水口，换热器组合一的进水口连接增压泵5的出水口，增压泵5的入口即为系统的污水入口，污水作为反应物，经过增压泵5和换热器组合一增压增温到超临界状态，进入超临界水反应器11进行超临界反应。另一条支路连接压缩机组合的出气口，压缩机组合的进气口为系统的氧化气体入口，压缩机组合中配置有对氧化气体降温的换热器组合二，氧化气体经过压缩机组合增压增温达到超临界反应所需的高温高压状态，进入超临界水反应器11进行超临界反应。
其中，换热器组合一采用单级或多级加热的方式，本实施例选择二级加热，其包括4#换热器9和5#换热器10，4#换热器9的冷源侧入口即换热器组合一的进水口，4#换热器9的冷源侧出口接5#换热器10的冷源侧入口，5#换热器10 的冷源侧出口即换热器组合一的出水口，与超临界水反应器11的入口连接。5# 换热器10的热源侧入口即换热器组合一的热源侧入口，与1#膨胀机12的出口 (即排气口)连接，1#膨胀机12的入口与超临界水反应器11的出口连接。5# 换热器10的热源侧出口接4#换热器9的热源侧入口，反应物污水通过4#换热器9和5#换热器10吸收反应生成物中的能量，实现该处低品位能量的回收再利用。4#换热器9的热源侧出口即换热器组合一的热源侧出口，与气液分离装置 13的入口连接。
针对压缩要求或者冷水吸收中间冷却过程的热量要求，本发明压缩机组合和换热器组合二采用单级或多级压缩、中间冷却的方式对空气进行压缩，本实施例选择四级压缩，三级冷却。其中压缩机组合包括依次串接的1#压缩机1、 2#压缩机2、3#压缩机3和4#压缩机4，1#压缩机1的进气口即为压缩机组合的进气口，4#压缩机4的出气口即为压缩机组合的出气口，与超临界水反应器11 的入口连接。换热器组合二包括1#换热器6、2#换热器7和3#换热器8，1#换热器6、2#换热器7和3#换热器8的冷源侧入口均接冷水，即冷水分为三条支路流入，冷源侧出口即为换热器组合二的冷源侧出口，均与8#换热器19的热源侧进口连接，利用冷水将多级压缩机在中间冷却中的热量吸收，实现该处低品位能量的回收再利用。具体地，1#压缩机1的出气口接1#换热器6的热源侧入口，1#换热器6的热源侧出口接2#压缩机2的进气口，2#压缩机2的出气口接 2#换热器7的热源侧入口，2#换热器7的热源侧出口接3#压缩机3的进气口， 3#压缩机3的出气口接3#换热器8的热源侧入口，3#换热器8的热源侧出口接4#压缩机4的进气口。
气液分离装置13的气体出口接6#换热器17的热源侧进口，气液分离装置13的液体出口和6#换热器17的热源侧出口接7#换热器18的热源侧进口，7# 换热器18的热源侧出口排出洁净水提供给用户，利用梯级能量利用原理，将超临界水氧化系统的反应物所含有的大量能量回收再利用。
8#换热器19的冷源侧出口接6#换热器17的冷源侧入口，6#换热器17的冷源侧出口接9#换热器21的热源侧进口，9#换热器21的热源侧出口接8#换热器 19的冷源侧入口，9#换热器21的冷源侧入口接冷水，冷源侧出口的一路接7# 换热器18的冷源侧入口，另一路将部分水排出，7#换热器18的冷源侧出口和8#换热器19的热源侧出口接热用户为用户提供热能，通过9#换热器21耦合，用冷水吸收ORC中冷凝阶段放出的热量，实现该处低品位能量的回收再利用。并可进一步在6#换热器17的冷源侧出口与9#换热器21的热源侧进口之间设置4#膨胀机22，9#换热器21的热源侧出口与8#换热器19的冷源侧入口之间设置工质泵20。
其中，6#换热器17-8#换热器19-工质泵20-9#换热器21-4#膨胀机22-6#换热器17完成一个循环，构成ORC子系统，超临界水氧化系统通过6#换热器17 与ORC子系统耦合。通过耦合，ORC合理利用超临界水氧化系统分离出来CO2的低品位能量，将其作为ORC的一部分能量输入。ORC系统同时通过8#换热器19与回收多级压缩中中间冷却的低品位能量支路耦合起来，吸收加热后的水的热量作为ORC的预热阶段，增加循环效率。
ORC子系统中可以采用R11、R12或者R134a等符合工况要求的工质，或者两种以及多种纯有机物混合而成的符合工况要求的混合物，系统可以根据具体情况选择或者更换最佳的循环工质，本发明统一用工质代表说明。并且，在该ORC子系统中，还可以在4#膨胀机22和9#换热器21之间、工质泵20和8# 换热器19之间添加一个共用的回热器，回热器中分别通入4#膨胀机22的排汽和工质泵20加压后的液态工质，液态工质被4#膨胀机22的排汽加热后进入8# 换热器19，4#膨胀机22的排汽被液态工质冷却后进入9#换热器21，添加该回热器可以减少ORC的冷源损失，增加循环效率。
进一步地，气液分离装置13的液体出口连接2#膨胀机14的进口，2#膨胀机14的出口连接7#换热器18的热源侧进口，气液分离装置13的气体出口连接气体分离装置15，气体分离装置15出口一端连接用于排出氮气等气体的3#膨胀机16，出口另一端连接6#换热器17的热源侧入口，6#换热器17的热源侧出口排出气体为CO2，该CO2与2#膨胀机14排出的洁净水均进入7#换热器18。
本实施例中，换热器组合二以冷水为换热介质，压缩机组合中的氧化气体可以为空气、氧气，也可用其它氧化剂代替，本实施例选择空气。
本发明1#压缩机1、2#压缩机2、3#压缩机3、4#压缩机4、1#膨胀机12、 2#膨胀机14、3#膨胀机16和4#膨胀机22可以根据整个系统的空间布局，选择同轴和不同轴，也可以压缩机和部分膨胀机同轴，部分不同轴；各个膨胀机分别与其对应的发电机同轴连接。
本发明在工质入口处以及系统中某些管道之间均有控制阀，且都为电磁式，并且可带有射频控制装置；本发明各工质泵、增压泵均可带有变频设施，均可安装射频控制装置。
下面结合附图进一步说明本发明的工作原理和使用步骤：
如图1所示，超临界氧化系统中，反应物污水在反应前需要先经过增压增温到超临界状态，空气经过增压增温达到高温高压状态，两者达到反应条件才进入反应器中反应，压缩采用多级压缩、中间冷却的方式，这里多级可以是两级、三级、四级或者更多，可根据实际情况选择合适的压缩机，例如根据冷水加热量的大小和空气压缩后压力的大小等来选择，这里以一个四级压缩机为代表说明，空气经过一个四级压缩机，首先通入1#压缩机1压缩，在经过1#换热器6中间冷却，1#换热器6再依次经过2#压缩机2的压缩、2#换热器7的冷却、3#压缩机3的压缩、3#换热器8的冷却和4#压缩机4的压缩达到一个高温高压状态，污水则是在另一条管路上先通过增压泵5的加压后，依次流过4#换热器 9和5#换热器10，吸收热量，该热量则是超临界水氧化的生成物所携带的热量，污水增压增温也达到一个超临界状态，随后与高温高压空气混合进入超临界水反应器11反应。反应是氧化放热反应，生成的无机盐和其他固化物通过排渣口排出，水和CO2等气体则流入1#膨胀机12中，此时由于反应过程放出大量的热，在高温高压下的水和CO2等气体推动1#膨胀机12工作输出电能，1#膨胀机12的排汽依然具有较高的温度，再依次流经5#换热器10和4#换热器9与污水换热，放出热量给污水增温，然后流入气液分离装置13，水和CO2等气体分离，水进入2#膨胀机14中做功，输出电能，最后流经7#换热器18放出热量后排出，此时的洁净水可以提供给用户，解决用户用水问题，7#换热器18放出热量让另一条支路的水吸收；CO2等气体进入气体分离装置15，分离CO2和N2等气体， CO2气体进入3#膨胀机16中做功输出电能，N2等气体则进入6#换热器17放出热量，为ORC系统提供能量，最后流经7#换热器18放出热量后排出。本发明在对超临界水氧化反应所放出的热量的利用上，运用到梯级能量利用原理，先是通过换热器将本身的污水加热，再在分离后分别输入到膨胀机中做功输出电能、通过换热器放出热量为ORC系统提供能量、通过换热器放出的热量加热冷水提供热给用户，充分的将这些低品位热量回收再利用。
在ORC系统中，工质泵20带动循环流动，并且将工质压缩，工质压缩后首先流入8#换热器19进行一个预热，预热后的工质进入6#换热器17吸收超临界水氧化系统生成物所放出的热量，增压增温后的工质进入4#膨胀机中做功输出电能，4#膨胀机的排汽流入9#换热器21冷凝放出热量，最后回到工质泵20 中进行下一个循环。同时，ORC在需要提高效率的情况下，可以在4#膨胀机22 和9#换热器21之间、工质泵20和8#换热器19之间添加一个共用的回热器，回热器中分别通入4#膨胀机22的排汽和工质泵20加压后的液态工质，工质泵 20加压后的液态工质在回热器中吸收4#膨胀机22的排汽所放出的热量再流入 8#换热器19吸收热量，4#膨胀机22的排汽在回热器中被工质泵20流出的液态工质冷却后进入9#换热器21再放热，可以有效减少ORC的冷源损失。添加回热器是一种高循环效率的优选实施例。
一股冷水分为三条支路分别通入1#换热器6、2#换热器7和3#换热器8，吸收多级压缩机中间冷却放出的热量，第一条支路的冷水在1#换热器6吸收热量后与在2#换热器7吸收热量后第的二条支路的水混合，再与在3#换热器8吸收热量后的第三条支路的水混合，混合后较高温度的水流入8#换热器19给ORC 系统中的工质预热，从8#换热器19流出的热水将热量提供给用户依次满足用户的用热需求。在这里，本发明将多级压缩机中的各个级之间的中间冷却阶段放出的热量充分回收，利用冷水吸收，在为ORC系统提供预热的同时，也给用户提供了热能。
又一股冷水首先流经9#换热器21吸收ORC系统中工质放出的热量，再流经7#换热器18吸收超临界水氧化系统中反应生成的水和气体最后放出的热量，从7#换热器18流出的热水将热量提供给用户依次满足用户的用热需求。在这里，本发明将ORC系统在冷凝阶段放出的热量也进行了再回收，加热冷水，最后给用户提供热能。
综上，本发明将超临界水氧化系统与ORC系统耦合，通过合理设计管路和系统部件的连接方式，将各个支路和子系统合理的耦合起来，结构紧凑，并且根据梯级能量利用原理，将超临界水氧化系统中进口反应物以及出口生产物的低品位能量通过换热器合理的利用起来，在为ORC系统提供能量的同时，输出电能和热能，而且将ORC中的低品位能量也加以利用，使整个系统能量的利用最大化。同时，超临界水氧化系统中压缩机级数的多样性和ORC形式的多样性使得系统不是单一的，具有可变性。本发明的超临界水氧化系统以及ORC系统的能量利用率都很高，治理污水的同时为用户提供用电、用热和用水需求，功能多且运行灵活，节能环保。

Claims (9)

1.一种基于超临界水氧化的热-电-清洁水联产系统，其特征在于，包括超临界水反应器(11)，超临界水反应器(11)的入口端连接有两条支路，一条支路连接换热器组合一的出水口，换热器组合一的进水口连接增压泵(5)的出水口，增压泵(5)的入口即为系统的污水入口，另一条支路连接压缩机组合的出气口，压缩机组合的进气口为系统的氧化气体入口，压缩机组合中配置有对氧化气体降温的换热器组合二，换热器组合二以冷水为换热介质，其冷源侧出口接8#换热器(19)的热源侧进口，超临界水反应器(11)的出口端接换热器组合一的热源侧入口，换热器组合一的热源侧出口接气液分离装置(13)的入口，气液分离装置(13)的气体出口接6#换热器(17)的热源侧进口，气液分离装置(13)的液体出口和6#换热器(17)的热源侧出口接7#换热器(18)的热源侧进口，7#换热器(18)的热源侧出口排出洁净水，8#换热器(19)的冷源侧出口接6#换热器(17)的冷源侧入口，6#换热器(17)的冷源侧出口接9#换热器(21)的热源侧进口，9#换热器(21)的热源侧出口接8#换热器(19)的冷源侧入口，9#换热器(21)的冷源侧入口接冷水，冷源侧出口的一路接7#换热器(18)的冷源侧入口，7#换热器(18)的冷源侧出口和8#换热器(19)的热源侧出口接热用户为用户提供热能，其中所述6#换热器(17)的冷源侧出口与9#换热器(21)的热源侧进口之间设置有4#膨胀机(22)，9#换热器(21)的热源侧出口与8#换热器(19)的冷源侧入口之间设置有工质泵(20)。
2.根据权利要求1所述基于超临界水氧化的热-电-清洁水联产系统，其特征在于，反应物污水经过增压泵(5)和换热器组合一增压增温到超临界状态，所述氧化气体经过压缩机组合增压增温达到超临界反应所需的高温高压状态，进入超临界水反应器(11)进行超临界反应。
3.根据权利要求1所述基于超临界水氧化的热-电-清洁水联产系统，其特征在于，所述压缩机组合和换热器组合二采用多级压缩、中间冷却的方式，所述换热器组合一采用多级加热的方式。
4.根据权利要求1或3所述基于超临界水氧化的热-电-清洁水联产系统，其特征在于，所述换热器组合一包括4#换热器(9)和5#换热器(10)，4#换热器(9)的冷源侧入口即换热器组合一的进水口，4#换热器(9)的冷源侧出口接5#换热器(10)的冷源侧入口，5#换热器(10)的冷源侧出口即换热器组合一的出水口，5#换热器(10)的热源侧入口即换热器组合一的热源侧入口，5#换热器(10)的热源侧出口接4#换热器(9)的热源侧入口，4#换热器(9)的热源侧出口即换热器组合一的热源侧出口。
5.根据权利要求4所述基于超临界水氧化的热-电-清洁水联产系统，其特征在于，所述超临界水反应器(11)的出口端与5#换热器(10)的热源侧入口之间设置有1#膨胀机(12)。
6.根据权利要求1所述基于超临界水氧化的热-电-清洁水联产系统，其特征在于，所述压缩机组合包括依次串接的1#压缩机(1)、2#压缩机(2)、3#压缩机(3)和4#压缩机(4)，1#压缩机(1)的进气口即为压缩机组合的进气口，4#压缩机(4)的出气口即为压缩机组合的出气口；所述换热器组合二包括1#换热器(6)、2#换热器(7)和3#换热器(8)，1#换热器(6)、2#换热器(7)和3#换热器(8)的冷源侧入口均接冷水，冷源侧出口即为换热器组合二的冷源侧出口，1#压缩机(1)的出气口接1#换热器(6)的热源侧入口，1#换热器(6)的热源侧出口接2#压缩机(2)的进气口，2#压缩机(2)的出气口接2#换热器(7)的热源侧入口，2#换热器(7)的热源侧出口接3#压缩机(3)的进气口，3#压缩机(3)的出气口接3#换热器(8)的热源侧入口，3#换热器(8)的热源侧出口接4#压缩机(4)的进气口。
7.根据权利要求1所述基于超临界水氧化的热-电-清洁水联产系统，其特征在于，所述气液分离装置(13)的液体出口与7#换热器(18)的热源侧进口之间设置有2#膨胀机(14)，气液分离装置(13)的气体出口连接气体分离装置(15)，气体分离装置(15)出口一端连接用于排出氮气的3#膨胀机(16)，另一端连接6#换热器(17)的热源侧入口，6#换热器(17)的热源侧出口排出气体为CO2。
8.根据权利要求1所述基于超临界水氧化的热-电-清洁水联产系统，其特征在于，在4#膨胀机(22)和9#换热器(21)之间、工质泵(20)和8#换热器(19)之间添加一个共用的回热器，回热器中分别通入4#膨胀机(22)的排汽和工质泵(20)加压后的液态工质，液态工质被4#膨胀机(22)的排汽加热后进入8#换热器(19)，4#膨胀机(22)的排汽被液态工质冷却后进入9#换热器(21)。
9.根据权利要求1所述基于超临界水氧化的热-电-清洁水联产系统，其特征在于，各压缩机和各膨胀机根据整个系统的空间布局，选择同轴或不同轴，或压缩机和部分膨胀机同轴，部分不同轴。
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